基于嵌入式仿生机器鱼控制方法的研究

摘要

本文是在国家自然科学基金“基于多控制面推进的仿生机器鱼机构设计与融合控制（60865004）”的支持下完成的。主要以鲹科鱼类作为研究对象，围绕仿生机器鱼结构设计、游动姿态控制、路径规划、视觉算法、追踪目标物控制算法的研究等方面展开。针对多鳍机器鱼的控制算法进行了研究，实现仿生机器鱼在水中安全、机动、快速躲避障碍物和追踪目标物，本文研究的主要内容和成果有：
　　1、在对鲹科鱼类二维稳态游动进行仿生研究的基础上，对多鳍机器鱼的主体方案进行了设计，主要从机械结构方面和控制结构方面进行设计。机械结构上：通过参考自然界鱼类的形体特征，给仿生机器鱼设计了壳体、胸鳍、背鳍、腹鳍和尾鳍结构并通过机械加工技术把各部分连接成一个统一的整体。控制结构方面：基于仿生机器鱼的用途，给仿生机器鱼设计了无线通信模块、摄像头模块、传感器模块、电源模块、外围接口模块、运动控制模块等硬件资源并对其电路进行设计。基于对机器鱼实时监控的目的，给仿生机器鱼设计了软件监控平台来接收机器鱼从水下传来的各种信息。
　　2、通过对嵌入式系统的详细介绍以及鱼类在水下需要完成的任务，给仿生机器鱼定义了多种运动状态，包括直行（STRAIGHT）、倒行（RETROACT）、悬停（STATIC）、减速（SLOW DOWN）、加速（QUICKEN）、左转弯（LEFT-TURN）、右转弯（TURN-RIGHT）、下潜（DESCEND）、上浮（RISE）、平动（HORIZON）10种基本运动，并对各种运动状态的控制的方法进行了描述，最后通过实验验证了控制方法的有效性。
　　3、以仿生机器鱼的运动状态为基础，在仿生机器鱼的头部安装了多种传感器，并对传感器的安装位置进行设计，最后通过多传感器融合技术与产生式规则对仿生机器鱼的游动路径进行了具体设定，其中包括：水下游动规则、危险碰撞度规则、上升下潜意愿度规则。
　　4、通过对仿生机器鱼的尾部运动学分析得出机器鱼在水下游动时尾部与障碍物之间存在一个危险碰撞距离，基于仿生机器鱼在水下避开障碍物后尾部与障碍物之间的数学关系给仿生机器鱼尾部设定安全区域，从而解决机器鱼躲避障碍物后尾部与障碍物的碰撞问题，最后通过实验验证了该方法的有效性，仿生机器鱼在水下躲开障碍物后尾部不与障碍物发生碰撞。
　　5、以嵌入式系统为基础，ARM9为控制板设计了视觉追踪算法，分别对图像转换技术、图像分割算法(设定阈值的方法)、图像标定算法以及视觉追踪算法进行了设计编写（关键代码见附录）。最后通过实验验证了视觉追踪算法的有效性。
　　通过本文的研究工作，希望在机器鱼运动控制算法方面能够更加的完善，为以后的研究工作提供更好的参考。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究的意义及目的

1.3 国内外研究现状

1.4 嵌入式系统介绍及在机器人控制中的应用

1.5 仿生机器鱼的发展趋势

1.6 课题主要研究的内容

第二章 仿生机器鱼的系统设计与实现

2.1 引言

2.2 机器鱼整体结构设计

2.3 控制电路的设计

2.4 软件结构设计

2.5 本章小结

第三章 机器鱼水下游动姿态的控制及游动规则的制定

3.1 引言

3.2 机器鱼的传感器网络设计

3.3 仿生机器鱼的运动模式定义及控制

3.4 仿生机器鱼的控制规则制定

3.5 机器鱼避障时尾部摆动与障碍物之间的关系及规则的制定

3.6 本章小结

第四章 仿生机器鱼视觉算法的设计与实现

4.1 引言

4.2 机器鱼视觉算法的图像处理

4.3 目标追踪算法的设计与实现

4.4 基于嵌入式信息的控制与决策

4.5 实验验证

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

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